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標(biāo)桿之作！北京交大Scripta Mater.：疲勞性能原位多尺度研究！

2020-04-13 來源：Goal Science

        先進(jìn)貝氏體鋼具有優(yōu)異的強韌性，在鐵路交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在循環(huán)交變載荷工況下，疲勞性能，尤其是高周疲勞行為，對于確保結(jié)構(gòu)件的長期安全服役具有重要意義。疲勞性能和微觀組織密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)貝氏體鋼中貝氏體板條塊（bainitic block）的尺寸和晶體學(xué)特征強烈影響疲勞裂紋的擴(kuò)展。而關(guān)于殘余奧氏體對疲勞行為的微觀研究卻鮮有報道，一方面殘余奧氏體在循環(huán)加載過程中可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，其影響相對復(fù)雜；另一方面對于殘余奧氏體在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程中的局部演化，微觀表征難度很大。作為先進(jìn)高強鋼組織設(shè)計的關(guān)鍵，如何深入研究殘余奧氏體的影響將關(guān)乎高強鋼在未來的應(yīng)用前景！

        近日，北京交通大學(xué)高古輝團(tuán)隊設(shè)計了巧妙的實驗方法，采用多尺度表征手段揭示了疲勞裂紋尖端殘余奧氏體的局部演化過程，闡明了殘余奧氏體形貌（膜狀和塊狀）對亞表面疲勞裂紋萌生和初期擴(kuò)展的影響。研究人員以無碳化物貝氏體鋼為研究對象，首先用SEM和三維共聚焦表面形貌儀（confocal microscope phase shift microXAM-3D）對高周疲勞失效樣品的疲勞斷口表面進(jìn)行初步表征，在此基礎(chǔ)上用聚焦離子束（FIB）技術(shù)找到裂紋前端的微觀區(qū)域，隨后用TEM和EBSD進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)表征。此研究方法和表征手段為后續(xù)研究微觀組織和裂紋擴(kuò)展的關(guān)系提供了樣板，相關(guān)成果發(fā)表在期刊Scripta Materialia，題目為“Role of retained austenite with different morphologies on sub-surface fatigue crack initiation in advanced bainitic steels”。

無碳化物貝氏體鋼在疲勞測試前的組織表征 (a) SEM; (b) TEM; (c) 奧氏體IPF圖

        研究人員發(fā)現(xiàn)在裂紋正前端的膜狀殘余奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，且裂紋前端的塑性變形區(qū)被限制在了幾百納米的范圍。膜狀的新生馬氏體雖然位錯密度很高，但是并不脆，因此可以阻止裂紋的擴(kuò)展，起到類似鈍化裂紋的作用。

疲勞斷口表面 (a) 和疲勞裂紋萌生區(qū)域膜狀奧氏體的組織演變 (b-h)，(i) 為膜狀奧氏體在裂紋萌生過程中的作用示意圖。

        原奧晶界附近的塊狀殘余奧氏體沒有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，且其存在會導(dǎo)致疲勞裂紋沿晶界萌生，發(fā)生所謂的沿晶疲勞開裂。研究人員進(jìn)一步對裂紋表面的micro-facet進(jìn)行位向表征，推測沿晶裂紋的萌生遵循解理斷裂模式。

疲勞斷口表面 (a) 和疲勞裂紋萌生區(qū)域塊狀奧氏體的組織演變 (b-h)

        本研究采用FIB技術(shù)，巧妙且精確地捕獲了裂紋尖端的微觀區(qū)域，多尺度表征了不同形貌殘余奧氏體的局部演化，可以說是疲勞行為微觀研究的標(biāo)桿！精工細(xì)作，實屬不易！

 

原文鏈接：

 

（1）團(tuán)隊介紹:

        北京交通大學(xué)軌道交通金屬材料研究所，主要從事鐵路用先進(jìn)鋼鐵材料的研究，長期專注于先進(jìn)貝氏體鋼的成分、工藝、組織設(shè)計，先進(jìn)鋼鐵材料的強韌化、疲勞、磨損、延遲斷裂等機(jī)理研究。近年來，研發(fā)的貝氏體鋼軌、貝氏體車輪、高性能車軸鋼、軸承鋼、齒輪鋼、貝氏體鋼筋、鑿巖釬桿等已經(jīng)在鐵路、車輛、隧道、橋梁等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，推動了我國鐵路行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。團(tuán)隊擁有中國工程院院士1名，特聘教授1名，專職研究人員7名，在讀研究生31名。先后獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項目的資助。團(tuán)隊在Acta Materialia、Scripta Materialia、Materials Science & Engineering A、International Journal of Fatigue、金屬學(xué)報等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇。研究成果獲2018年冶金科技進(jìn)步二等獎（第一單位）。


（2）團(tuán)隊在該領(lǐng)域的工作成果匯總:

        本團(tuán)隊在先進(jìn)貝氏體鋼的疲勞行為研究領(lǐng)域，提出了新型的BQ&P熱處理工藝精細(xì)調(diào)控貝氏體鋼中顯微組織（Acta Materialia 76 (2014) 425–433, Acta Materialia 101 (2015) 31–39），系統(tǒng)研究了貝氏體類型（Materials Science & Engineering A 630 (2015) 1–7）、殘余奧氏體形態(tài)（International Journal of Fatigue 92 (2016) 203–210, Scripta Materialia 184 (2020) 12–18）、組織細(xì)化、均勻化（Materials Science & Engineering A 650 (2016) 438–444）等顯微組織特征對貝氏體鋼疲勞性能的影響。發(fā)現(xiàn)了顯微組織和微觀缺陷（如非金屬夾雜物）對貝氏體鋼疲勞行為、特別是疲勞裂紋萌生過程具有競爭影響（International Journal of Fatigue 33 (2011) 500–506, Materials Science & Engineering A 739 (2019) 404–414），提出了協(xié)同改善化學(xué)冶金和物理冶金的手段改善貝氏體鋼疲勞性能的思想，為綠色節(jié)能的精品鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。本團(tuán)隊正在開展高周和超高周疲勞階段貝氏體鋼亞表層疲勞裂紋萌生機(jī)制，顯微組織與微觀缺陷對疲勞裂紋萌生的競爭影響機(jī)制的相關(guān)研究，旨在延長關(guān)鍵零部件的服役壽命、提升服役安全性。

 

（3）團(tuán)隊相關(guān)優(yōu)質(zhì)文章推薦:

[1]. Guhui Gao, Han Zhang, Xiaolu Gui, et al. Enhanced ductility and toughness in an ultrahigh-strength Mn–Si–Cr–C steel: The great potential of ultrafine filmy retained austenite, Acta Materialia 76 (2014) 425-433.

[2]. Guhui Gao, Baoxiang Zhang, Cheng Cheng, et al. Very high cycle fatigue behaviors of bainite/martensite multiphase steel treated by quenching-partitioning-tempering process, International Journal of Fatigue, 92 (2016) 203-210.

[3]. Guhui Gao, Qingzhen Xu, Haoran Guo, et al. Effect of inclusion and microstructure on the very high cycle fatigue behaviors of high strength bainite/martensite multiphase steels, Materials Science & Engineering A 739 (2019) 404-414.